Г. Р. Державина Академия непрерывного образования Головин Ю. И. Универсальные принципы естествознания (наука в общечеловеческом измерении) Учебное пособие

Вид материала

Учебное пособие

Содержание В. Эбелинг. Образование структур при необратимых процессах. М., 1979. Нет ничего практичнее хорошей теории. 1. Электрификация народного хозяйства и быта. 2. Изобретение двигателя внутреннего сгорания 5. Примерно в тот же период, когда началось активное освоение ближнего космоса, были сконструированы и опробованы первые лазеры 6. Создание новых материалов. 6.1 Металлический водород. 6.2 Далекие трансураны. 6.3. Высокотемпературная сверхпроводимость. 6.4. Наноматериалы, нанотехнологии. 6.5. Изменение дефектной структуры 8. Наконец, мы подошли к самому яркому, как считают многие, символу НТР и нашего времени – персональной электронно-вычислительно

Подобный материал:

• Г. Р. Державина академия непрерывного образования в. О. Алексеева ораторское искусство, 4496.13kb.
• Г. Р. Державина академия управления и сервиса кафедра менеджмента и маркетинга учебное, 1147.35kb.
• Г. Р. Державина академия непрерывного образования кузнецов и. А. Основы маркетинга, 857.54kb.
• Г. Р. Державина академия непрерывного образования о. Ю. Тарасова, Т. Н. Толстых основы, 1318.05kb.
• Налоги и налогообложение, 2486.36kb.
• Учебное пособие Часть1 Тамбов 2004 удк, 1372.4kb.
• Н. И. Константинова концепции современного естествознания учебное пособие, 2191.08kb.
• В. И. Александров Учебное пособие. Российская медицинская академия последиплом, 207.44kb.
• Учебное пособие Москва, 2007 удк 50 Утверждено Ученым советом мгупи, 1951kb.
• В. Н. Савченко в. П. Смагин начала современного естествознания концепция и принципы, 7481.88kb.

В. Эбелинг. Образование структур при необратимых процессах. М., 1979.

Нет ничего практичнее хорошей теории.

Народная мудрость, приписываемая акад. Л. Арцимовичу


Физика настоящего – это техника будущего.


Акад. А.Ф. Иоффе


Модуль 8


Научно-техническая революция 20-го века и научно-технический прогресс


Истоки, причины и сущность НТР, ее особенности. Ключевые технологии, перспективы и проблемы.


Научно-техническая революция – уникальный феномен в развитии цивилизации, во многом определяющий нашу жизнь. В отличие от всех других революций, мы – современники эпохи НТР, имеем возможность принимать в ней участие, наблюдать ее изнутри, а не изучать по книгам. С понятием НТР связывают радикальные преобразования производительных сил общества на основе достижений науки, быстрого и массового их внедрения в практику. Начальный период НТР обычно относят к последним военным и первым послевоенным годам, т. е. к середине 20-го века. Уникальность ее заключается во многих особенностях, отличающих этот феномен от всех предыдущих процессов и состояний общества, обусловленных развитием научного знания. В самой краткой формуле НТР – это все ускоряющееся взаимное проникновение и обогащение науки и техники, соединение их в единый комплекс, быстрое и массовое внедрение новейших высоких технологий не только в производственный, но и в управленческий процесс, в культуру и быт, широкое использование новых видов энергии и материалов, информации и компьютерной техники в результате чего наука стала непосредственной производительной силой, а человек и общество на протяжении одного поколения сильно изменились.

Ничего из того, что Вы видите на рис. 8.1., и что определяет теперь облик цивилизации, не существовало 100-120 лет тому назад, а для абсолютного большинства изображенных объектов не было известно даже принципов.

Как уже обсуждалось в модуле 1, у науки много различных функций в обществе, но две из них важнейшие – познавательная и практическая. В той или иной мере естествознание несло эту нагрузку, начиная со времен Др. Греции и древневосточных государств. Но вплоть до промышленного переворота в Европе (конец 18 – начало 19 века) практическое использование результатов науки было очень ограниченным и не влиявшим принципиально ни на производство, ни на общественные отношения. И лишь в 20-м веке наука стала опережать технику и диктовать ей решения. В конце концов, произошло срастание науки с техникой, чему и соответствует термин «научно-технический». Таким образом, в последние несколько десятилетий наука превратилась в основу производительных сил общества. Ни наличие сырьевой базы, ни удобное географическое положение, ни даже высокий образовательный уровень трудоспособного населения (как показывает, в частности, опыт России конца 20-го века) не определяет теперь ни уровня, ни темпов развития. Воплощение последних достижений науки в высокие технологии и их быстрое освоение промышленностью – вот реальный путь к благополучию (по крайней мере, материальному).

В принципе, существует три объекта практического воздействия: природа, общество как социальная система и сам человек. В соответствии с этим практические выходы науки осуществляются в трех плоскостях: технологическая, направленная на использование законов природы с целью совершенствования, оптимизации материального производства; социально-управленческая, связанная с развитием и совершенствованием общественных отношений; культурно-мировоззренческая, относящаяся к осознанию места человека в мире, реализации его как личности.

Р
ис. 8.1. Образы и символы НТР

1. Массовый личный автомобиль. 2. Космическая ракета. 3. Спутник. 4. Астронавт на Луне. 5. Лазер и лазерные технологии. 6. Микропроцессоры. 7. Персональная ЭВМ. 8. Полностью автоматизированное животноводство и растениеводство. 9. Атомная электроэнергетика. 10. Радио- и телевидение (в частности, спутниковое) .11. Надводный атомоход. 12. Глубоководный батискаф. 13. ядерное и термоядерное оружие. 14. генетика и генная инженерия. 15. глобальная сотовая телефонная связь. 16. Атомная подводная лодка. 17. Сверхзвуковой лайнер. 18. Искусственные материалы (молекула фуллерена С₆₀)

Содержание НТР будет преимущественно изложено в настоящем модуле, а социальные, мировоззренческие, философские последствия – в следующем.

НТР, по-видимому, такой же закономерный этап человеческой истории, как смена общественных формаций и характера экономических отношений. Она имеет глобальный характер и затронула государства с совершенно различными традициями, культурой, религией, уровнями развития, безусловно несколько отличаясь в них по формам, темпам и др. Обычно НТР рассматривают как часть более общего явления – научно-технического прогресса, берущего начало в эпоху промышленного переворота в Европе (переход от мануфактур, использовавших ручной труд, к машинному производству) в конце 18 – начале 19 века. Определяющую роль в подготовке и переходу к качественно новому состоянию общества в процессе НТР сыграла научная революция начала 20-го века (см. модули 6 и 7).

Перечислим и кратко обсудим наиболее яркие направления, технологии, средства, определяющие лицо НТР.

1. Электрификация народного хозяйства и быта. Революционные сдвиги в промышленности, связи, на транспорте, в сельском хозяйстве произошли в результате широкого применения электричества и открытых еще в 19 веке законов электромагнетизма. Условно всю электротехнику можно разбить на сильноточную, оперирующую большими мощностями и энергиями, и слаботочную (электронику), где на передний план выдвигаются не энергетические, а информационные функции (получение, преобразование, хранение, передача информации). Паровая машина как основной источник энергии для промышленности 19 века был вытеснен электроэнергетикой за несколько десятков лет. Электропривод, электросварка, электронагрев, электрометаллургия, электроосвещение позволили механизировать и автоматизировать массовое производство, электробытовая техника революционизировала и сделала более комфортными жилища. В результате резко (в десятки-сотни раз!) возросли производительность труда (количество продукции, вырабатываемой одним человеком за смену или за год). Появились принципиально новые виды электронных коммуникаций: радио, телевидение, Интернет. Научная, образовательная, коммерческая, политическая информация стала доступна миллионам.

2. Изобретение двигателя внутреннего сгорания и вытеснение им паровой машины преобразовало известные средства транспорта (автомобильный, железнодорожный), сделало их массовым и привело к созданию совершенно новых – авиационных и космических. Массовый, относительно дешевый автомобиль изменил образ жизни в развитых странах, побудил к созданию новых отраслей индустрии и обслуживания (резинотехнической, лакокрасочной, полимерной, дорожностроительной, сети автосервиса, дорожных отелей, продаж новых и утилизации старых автомобилей и т. д.).

3. Успехи в ядерной физике позволили (вопреки мнению открывателя ядра – Э. Резерфорда относительно перспектив практического применения этих знаний) очень быстро перейти к использованию невиданного ранее по масштабам нового вида энергии – ядерной. Первоначально это было сделано в военных и политических целях (создание и испытание ядерного и термоядерного оружия в 1945-1951 гг.), а затем - и в мирных. В 1954 г. была запущена первая в мире ядерная электростанция в подмосковном Обнинске и началось планомерное освоение ядерной энергии в различных областях промышленности и сельского хозяйства. В настоящее время в мире работает около 400 мощных гражданских ядерных реакторов, вырабатывающих электроэнергию и тепло для промышленности и быта. Их доля в мировом энергетическом балансе составляет сейчас около 15% (в России эта цифра также близка к 15%), но ряд европейских стран, не имеющих никаких собственных топливно-энергетических ресурсов, в настоящее время покрывает свои потребности в энергии на 70-80% от атомных электростанций (АЭС). С точки зрения существа физических процессов, происходящих в реакторах таких станций, их правильнее было бы назвать не атомными (что указывает на химическую природу используемой энергии), а ядерными. К странам с развитой ядерной энергетикой относятся Франция, Бельгия, Голландия, Дания и др. В связи с резким повышением мировых цен на нефть в 70-80 годы атомная энергетика стала экономически целесообразной и рентабельной. В связи с этим, а также очень ограниченными запасами нефти и газа на Земле многие страны, даже располагающие значительными топливными ресурсами, тем не менее постепенно вытесняют из энергетики станции, работающие на ископаемых топливах (уголь, нефть, газ, сланцы). Как-то известный американский физик и химик, Нобелевский лауреат Г. Сиборг сравнил ядерную энергию с перочинным ножиком, в котором имеется несколько десятков различных инструментов на все случаи жизни. Действительно, в настоящее время трудно найти сферу деятельности человека, где бы не использовались в том или ином виде ядерные реакции, радиоактивные изотопы, ядерные технологии. Это и промышленность, и сельское хозяйство, и генная инженерия, и медицина, и криминалистика, и археология и многое другое.

4. Космонавтика. В конце второй мировой войны несколько воюющих государств начали разработки баллистических ракет (баллистических - означает летящих большую часть пути без помощи двигателей, по инерции вдоль баллистической кривой). Кстати, ракеты и сам принцип реактивного движения, используемый в них, тоже являются древневосточными изобретениями. Однако как и порох, служивший источником энергии для такого движения, в Древнем Китае они использовались исключительно как средство развлечения и украшения празднеств. Разумеется, в условиях мировой войны в первую очередь о них думали как об эффективном оружии с большим радиусом действия. Но еще раньше, в начале 20-го века несколько мыслителей и инженеров начали обдумывать вполне реалистические проекты полетов людей на ракетах в космос. Причем, с самого начала это грандиозное и сложнейшее по осуществлению (до сих пор!) предприятие рассматривалось не как техническая, транспортная задача, а как высокая цель – выход за пределы земного бытия, освоение новых сфер приложения творческих сил, как чисто познавательная программа. Наличие большого интереса военных всех стран к космонавтике, большие финансовые вложения и организационные усилия позволили к началу 60-х годов 20-го века осуществить вековую мечту человечества – полететь к звездам! Буквально, конечно, речь не идет (и очень долго не будет идти) о полетах к звездам. Современные возможности позволяют летать только в пределах Солнечной системы, а подавляющее большинство спутников и обитаемых кораблей вращается около Земли на высоте всего несколько сотен км (что в десятки раз меньше радиуса самой Земли). Так что пока проделана малая часть пути к звездам, но очень важная в принципиальном отношении.

В результате 20-й век - век электричества, сменивший название на век атомный, стали называть еще и космическим. Следует отдавать себе отчет, что расходы на космонавтику ни в последние годы, ни тем более во времена ее становления не оправдывались извлекаемой практической пользой. Строго говоря, космонавтика в существующем сейчас виде – это и не сфера науки, а сфера высоких технологий, политики, геостратегических интересов, арена демонстрации национальных амбиций и т. п. Она не потребовала для своего развития последних достижений фундаментальных наук, так же как и не привнесла в них ничего принципиально нового. В равной мере, несмотря на широкое использование спутников для дальней связи, навигации, разведки полезных ископаемых, метеонаблюдений и т. д., экономический эффект от всего этого не покрывает расходов на их проектирование, изготовление, запуск, последующее обслуживание и сопровождение. Исключая военные применения (разведка, связь, противоракетная оборона, навигация, поисково-спасательные работы и т. д.), где соотношение пользы и затрат всегда трудно оценить, вся космонавтика существует благодаря чисто познавательному интересу, соображениям государственного престижа, служит предметом национальной гордости, символом высокого уровня развития технологий и экономики и т. п. В связи с затуханием холодной войны и идеологического противостояния двух общественно-политических систем и соответствующих военных блоков затраты на космонавтику во всем мире уменьшились и интенсивность полетов в последние годы упала.

5. Примерно в тот же период, когда началось активное освоение ближнего космоса, были сконструированы и опробованы первые лазеры. В физическом плане – это прибор, осуществляющий симбиоз квантового и волнового проявлений света, который позволяет генерировать очень слабо расходящиеся в пространстве (почти параллельные) пучки света строго фиксированной частоты. Очень быстро из экзотического физического прибора лазер стал широко распространенным техническим средством, используемым в промышленности, связи, компьютерах, сельском хозяйстве, метеорологии, медицине и, разумеется, в военном деле. Можно сказать, «гиперболоид инженера Гарина» осуществлен на других принципах, которые обеспечили неизмеримо более высокие технические показатели, чем в известном фантастическом романе А. Толстого.

Принцип действия любого лазера заключается в усилении света при пропускании луча по предварительно возбужденной оптически прозрачной среде. В качестве такой среды могут выступать специально изготовленные кристаллы полупроводников, диэлектриков, некоторые газы, жидкости и др. Их возбуждение (или, как говорят специалисты «накачка») может тоже производиться самыми различными способами: освещением, пропусканием электрического тока, химической реакцией и даже ядерным взрывом. С точки зрения потоков и баланса энергии лазер – это трансформатор одного вида энергии (электрической, химической, ядерной) в другой – энергию электромагнитной волны. Коэффициент полезного действия такого преобразования редко превышает 10-20% у самых современных лазеров. Такова цена преобразования не очень «качественных» видов энергии в энергию «божественно совершенного» лазерного излучения. Но во многих случаях – это и не так важно.

Дело в том, что все чрезвычайно разнообразные применения лазеров можно разбить на две группы. Одну из них назовем «силовой», т. е. там, где происходит высокоэнергетичное воздействие пучка света на вещество. В таком случае действительно важна (да и то, далеко не всегда) эффективность преобразования подведенной энергии самим лазером. Особенно, если это лазеры высокой мощности. Таковы лазеры для военных применений (наземное и космическое лазерное оружие), технологические лазеры для резки, сварки, модифицирования материалов в промышленности. Они применяются и как хирургический инструмент в медицине, как средство диагностики и терапии, как инструмент предпосевной обработки семян (для увеличения всхожести), запуска специфических химических реакций путем селективного воздействия на выбранные внутримолекулярные степени свободы и т. д. Существуют перспективы использования мощных лазеров для создания промышленных энергетических установок, извлекающих энергию из реакции управляемого термоядерного синтеза, которая идет на Солнце и в термоядерных бомбах и позволяет извлекать колоссальную энергию из вещества.

Другая большая группа лазеров используется в системах сбора, хранения, передачи информации. Они обладают, как правило, очень небольшими мощностями, на порядки величины меньшими, чем лампочка от карманного фонарика. В этих случаях их КПД не имеет никакого значения, гораздо важнее другие параметры: монохроматичность испускаемого излучения, стабильность во времени и т. д. Такие маломощные лазеры используются для сбора информации об атмосфере, в геологии и маркшейдерском деле, в измерительных приборах, для сохранения в виде оптических, голографических изображений и передачи громадных потоков информации по световолокнам, заменяющим электрические кабели, для записи и считывания информации на пластиковых дисках (компакт-диски в мультимедийных компьютерах). Они являются основами современных эталонов времени, длины, частоты и др. Их планируют использовать в перспективных оптотронных вычислительных машинах (ближайших конкурентах современных электронно-вычислительных). Невозможно даже коротко перечислить всех существующих и намечающихся применений лазеров. Тем более, что они продолжают совершенствоваться: уже созданы лазеры с фемтосекундной длительностью импульсов (1 фемтосекунда=10^-15с), лазеры в рентгеновском диапазоне и многое другое. Только представьте себе компьютер, который выполняет 10¹⁵ операций в секунду, а не 10⁹, как самый быстрый современный (а эта скорость является практически уже предельной для электроники, но «детской» для оптотроники). Так что по праву 20-й век можно было бы назвать и лазерным.

6. Создание новых материалов. Тысячи лет человек использовал исключительно природные материалы: камень, дерево, глину, кожу, кости и т. д. Всего сто лет назад производилось не более нескольких десятков искусственных материалов. Только в 20-ом веке вошли в жизнь рукотворные полимеры, пластики, синтетические волокна, полупроводниковые материалы, жаропрочные сплавы и керамики, сверхпроводники, магнитные сплавы, оптические материалы для лазерной техники и многое другое. А жизнь требует все новых и новых материалов со все более экзотическими свойствами. И надо сказать, физика и химия непрерывно создает их в большом количестве. Так, к настоящему времени синтезировано несколько миллионов (!) новых веществ. Однако пока лишь несколько тысяч из них нашли практическое применение. Так что существует еще и задача введения в практический оборот громадного количества известных, но еще не используемых веществ.

Существует 5 принципиально различающихся возможностей создания новых материалов, в которых используют:

1. ядерные реакции (см., например, п. 6.2.);
   
2. химические реакции (см., например, п. 6.3.);
   
3. изменение с помощью высоких давлений, высоких и низких температур, магнитных полей и т. д., фазового состояния вещества без изменения химического состава (например, изменение типа кристаллической решетки одного и того же вещества), см., например, п. 6.1., п. 6.3, п. 6.4;
   
4. изменение дефектной структуры материала (на уровне дефектов строения атомарного масштаба) без изменения его химического и фазового состава (см., например, п. 6.5.);
   
5. формирование композитной структуры методами спекания, склеивания, сваривания разнородных компонентов.
   

Каковы же наиболее яркие, обещающие направления существуют сегодня в науке о новых материалах – физическом материаловедении и связанными с ним перспективными технологиями? Вот только некоторые из них.

Сверхпроводники и металлический водород, которые можно получить из более привычных нам материалов путем действия на них низких температур и высоких давлений, – наиболее яркие примеры, демонстрирующие возможность радикального изменения свойств материала за счет изменения их фазового состояния. Совместное или раздельное действие высоких давлений, температур и других условий выращивания искусственных кристаллов позволяют сразу же получить материал в нужном фазовом состоянии. Таким образом, были синтезированы искусственные алмазы (состоящие из тех же атомов углерода, что и мягкий графит), сверхтвердые карбиды и нитриды титана и бора, искусственные рубины, сапфиры и многое другое. Одним из последних, ярких достижений на этом пути является получение из все тех же атомов углерода нового класса веществ – фуллеритов. От алмаза и графита они отличаются специфическим расположением атомов друг относительно друга. Так, несколько лет назад удалось создать шарообразные молекулы из 60 атомов углерода, дынеобразные - из 70 атомов и трубчатые – из многих тысяч атомов (нанотрубки). Большие перспективы связывают с их применением в медицине, сверхпроводящей электронике, суперкомпьютерах и т. п.

Рассмотрим теперь наиболее яркие достижения и задачи в области физического материаловедения несколько подробнее.

6.1 Металлический водород. При сильном охлаждении молекулярный водород сначала становится жидким (как любой газ), а затем превращается в непроводящее электрический ток, прозрачное кристаллическое вещество. Однако теория предсказывает, что при очень высоких давлениях оно может перейти в проводящее и даже сверхпроводящее состояние, которое может сохраниться и при снятии высокого давления. Таким образом, из самого распространенного во Вселенной химического элемента может получиться очень интересный и полезный материал. Пока он не получен, но физика близка к этому.

6.2 Далекие трансураны. Переместимся теперь на противоположный конец таблицы Менделеева. В природе самым тяжелым атомом является уран с атомным номером А=92. Однако при его бомбардировке протонами, нейтронами, ядрами других элементов могут быть искусственно созданы и более тяжелые элементы. Считается, что сейчас таблица Менделеева надежно удлиннена до 107-го элемента. Проблема состоит в том, что с ростом А стабильность ядра резко уменьшается и оно самопроизвольно распадается на более легкие ядра за небольшое время (тем меньшее, чем больше А). Так что элемент с А=107 существует после создания миллионные доли секунды. Однако из теории следует, что в области А=114-116 может находиться «остров стабильности», и если создать ядра с такими номерами, то мы получим новое уникальное вещество. Опыты, проведенные в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне (под Москвой) в 2000-2001 году, свидетельствует, что есть все основания создать такое вещество в ближайшем будущем , т. к. получены первые несколько атомов с А=114 и А=116.

6.3. Высокотемпературная сверхпроводимость. В 1911г. нидерландский физик Камерлинг - Онес открыл довольно неожиданный эффект: в некоторых металлах, подвергнутых сильному охлаждению, близкому к абсолютному нулю в шкале Кельвина, происходило скачкообразное падение электрического сопротивления до нуля (Нобелевская премия 1913 г.). Возникла новая наука – физика низких температур и соответствующая криогенная техника. Она обещает множество преимуществ перед обычной. В частности, сверхпроводящие обмотки и линии электропередач позволят экономить до 25% электроэнергии, которая сейчас теряется на их нагрев и создает большие проблемы с отводом выделяющегося при этом тепла. Это так называемые сильноточные сверхпроводники, которые могут быть использованы не только для передачи энергии на большие расстояния без потерь, но и для создания высокоскоростного пассажирского транспорта на магнитной подушке, новых промышленных технологий и многого другого.

Но еще большие перспективы открываются в связи с обнаружением так называемой «слабой сверхпроводимости» в контакте двух сверхпроводников, разделенных тончайшим слоем диэлектрика (всего в несколько атомных слоев) – контакте Джозефсона. За ее предсказание (в возрасте 22 лет!) и последующее обнаружение английский физик Б. Джозефсон получил Нобелевскую премию в 1974 г. Разнообразные комбинации контактов Джозефсона позволяют создавать сверхчувствительные датчики, логически-арифметические устройства, ячейки памяти и многие другие элементы электроники и вычислительной техники, превосходящие по своим характеристикам существующие полупроводниковые на несколько порядков величин. Например, время переключения такого элемента из одного устойчивого состояния в другое (чему соответствует 0 и 1 в двоичной системе, принятой в вычислительной технике) может составлять 10^-12 секунд (вместо 10^-8 секунд в соответствующих полупроводниковых элементах существующих вычислительных машин). Ясно, что это путь к резкому увеличению быстродействия ЭВМ.

Однако следует напомнить, что все это возможно в металлах и сплавах только при очень низких температурах, всего на несколько градусов превышающих абсолютный нуль, что допустимо в хорошо оснащенной физической лаборатории, но крайне неудобно и дорого для практических приложений. Поэтому с момента открытия сверхпроводимости десятки лет шла неустанная работа по созданию материалов, имеющих сверхпроводящие свойства при более высоких температурах. За 70 с лишним лет удалось поднять эту температуру с 4 до 23 К. И вот, в 1986 г. также при весьма неожиданных обстоятельствах И. Беднорц и К. Мюллер (Нобелевская премия 1987 г.) открыли новый класс полупроводников – металлооксидные керамики, которые получили название – высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). Всего за два последующих года удалось поднять температуру сверхпроводящего перехода до 120 К. В 90-е годы шло активное изучение физики ВТСП и разработки технологии промышленного получения этих материалов. Но ни в том, ни в другом направлении больших успехов добиться пока не удалось. Тем не менее, у физиков и материаловедов есть полная уверенность, что ВТСП в ближайшем времени завоюет мир и в очередной раз перевернет жизнь людей (особенно если удается создать материалы, являющиеся сверхпроводниками при комнатной температуре).

6.4. Наноматериалы, нанотехнологии. В любой программе научно-технического развития государств с высоким уровнем технологий в перечне приоритетных направлений нано-наука обязательно присутствует и занимает почетное место. Что же это такое и что сулит? Во-первых, нано - десятичная приставка означает одну миллиардную долю чего-либо (10^-9). Название этой приставки произошло от греческого слова "нанос" - карлик. В нанотехнологиях рассматриваются объекты, размеры которых лежат в диапазоне от атомных (~0,1 нм) до 1000 нм. Это могут быть большие молекулы органических веществ, биологические объекты, малоатомные кластеры, нанокристаллики, тонкие пленки (в несколько атомных слоев на поверхности жидкости или твердого тела) и многие другие объекты, чьи характерные размеры лежат в указанном выше диапазоне. Для теоретической науки они сложны и интересны тем, что это системы с большим числом частиц, способных к самоорганизации и коллективным эффектам, которые пока трудно рассчитать прямыми методами, исходя из «первых принципов». С другой стороны, они еще и не вполне макроскопические, так как содержат не такое уж большое число частиц, которое необходимо для рассматривания задачи методами статистической физики. Практически это означает, что свойства маленьких частичек (размерами меньше микрометра, что гораздо меньше размеров пылинки, видимой глазом на пределе разрешения) могут очень резко отличаться от привычных нам свойств макротел.

Трудности экспериментального освоения этого класса объектов определяются тем, что необходим совершенно новый инструментарий ( неоптические микроскопы, сверхчувствительные датчики и измерители, специальные манипуляторы для захвата и перемещения и т. д.). Тем не менее, уже создано множество приборов, технологий, полезных устройств, оперирующих нанообъектами. В первую очередь, к ним можно отнести элементы современной электроники и оптики, гетерофазные структуры (за которые российский ученый из Санкт-Петербурга академик Ж. Алферов получил в 2000 году Нобелевскую премию), нанокристаллические конструкционные материалы, большие интегральные схемы для ЭВМ и т. д. Одно только перечисление главных направлений, в которых развивается нанонаука и нанотехнологии, свидетельствует о масштабности и революционности назревающих перемен в нашей жизни:

• нанороботы для приборостроения, медицины. Робот вообще - это устройство, сочетающее интеллектуальные и двигательно-механические функции, т.е. устройство, способное выполнять определенные виды работ, адаптируясь к окружающей среде. В "макро" - машиностроении, автомобилестроении, электротехнической и электронной промышленности их сейчас трудится много миллионов. Но речь идет о создании роботов с размерами меньше микрона. Они будут способны создавать себе подобных, исследовать биологические объекты "изнутри", диагностировать болезни человека, лечить (доставляя лекарства в необходимые места, осуществляя "нано"хирургические операции внутри сосудов, распознавать и уничтожать вирусы в организме и т.д.)
  
• контроллеры высокоплотной памяти для ЭВМ. В пределе электроника стремится к «одноэлектронным» решениям, т. е. оперированию единичными электронами. Действительно, для того чтобы запомнить или прибавить единицу к имеющемуся числу в принципе вполне достаточно одного электрона и структуры, состоящей всего из нескольких атомов. Очевидно, живая природа давно пришла к таким решениям, т. к. демонстрирует поразительную компактность и емкость мозга не только человека, но и гораздо более низкоорганизованных животных (например, мелких насекомых: комаров, муравьев и т. д.)
  
• нанолазеры, нанооптика (для оптоэлектроники, медицины и т.д.)
  
• наноускорители элементарных частиц
  
• управляемые нанотермоядерные реакторы
  
• нанохимия на отдельных атомах, селективный катализ необходимых реакций
  
• нанотрибология (наука о поведении двух тел приведенных в контакт, имеющая громадное значение для понимания механизмов сухого трения, абразивного износа и т.п.)
  

Учитывая, что нанотехнологии позволяют достигать революционных результатов в создании принципиально новой техники, обеспечивать колоссальное снижение материалоемкости изделий, как и потребляемой такими изделиями мощности в последующей эксплуатации, легко понять, что за ними большое будущее.

6.5. Изменение дефектной структуры различными методами издревле использовалось людьми для улучшения свойств материалов (вспомним, например, получение знаменитой дамасской стали методами ковки и закалки, создающими высокую плотность атомарных дефектов, обеспечивающих необходимые качества металлу). Предельно «дефектным» (с точки зрения идеального порядка) является аморфное состояние, в котором находится, например, обычное оконное стекло. Разработано множество методов получения металлических сплавов в аморфном состоянии (металлических стекол), зачастую демонстрирующих уникальные прочностные, антикоррозионные и магнитные свойства. Другое предельное состояние, близкое к идеальному монокристаллическому, тоже научились получать искусственно (в первую очередь - это монокристаллический кремний для микроэлектронной промышленности, лазерные кристаллы, элементы инфракрасной и ультрафиолетовой оптики и др.).

Описанные выше современные материалы аккумулируют в себе достижения науки и высоких технологий, создают основу экологически чистых, высокоприбыльных производств, в которых стоимость сырья и энергии составляет ничтожную долю стоимости конечного продукта.

7. Биотехнологии. Это слово (как и нанотехнологии) появилось в нашем лексиконе совсем недавно. Три его корня означают «биос» - жизнь, «техне» - умение, «логос» - знание. Т. е. подразумевается использование биологических знаний в разнообразных технологиях. Как и биологическая наука в целом, ее порождение – биотехнология - к концу 20 века стала опережать и теснить многие другие технологии, бывшие законодателями мод в течение нескольких веков перед этим. Безусловно, первой дамой этого королевского двора является генная инженерия. Расшифровка структуры ДНК, механизмов наследственности, генома человека и др. организмов, разработка и освоение техники манипулирования генной структурой – все это сделало возможным творить буквально чудеса. Многие моменты, правда, пока далеко не поняты и требуется величайшая осторожность и осмотрительность при использовании методов генной инженерии, которая практически еще только выходит из лабораторий в мир практического применения. Однако уже сейчас активно обсуждается совершено реальные возможности лечения тяжелых наследственных болезней, выращивания и пересадки органов для замены поврежденных, создание принципиально новых лекарств, клонирование, выведение новых пород скота и сортов растений, способов выяснения мест первичного появления человеческого вида и путей его расселения по Земле и т. д. Во многих случаях использование этих возможностей сдерживается не столько недостаточным пониманием молекулярных механизмов или несовершенством технологии, сколько отсутствием нормативной базы, соответствующего международного законодательства, неясностью морально-этических последствий и оценок.

История развития биотехнологий насчитывает, по меньшей мере, пять тысячелетий. В основе одной из наиболее разработанных к настоящему времени ветвей биотехнологии лежит уникальная способность биологических систем в отношении узнавания структур и селективного катализа строго определенных реакций из тысяч возможных между данными веществами. Проявляется это в способности ферментов (белков-катализаторов) осуществлять широкий спектр биохимических реакций в очень мягких условиях (т.е. без необходимости повышать давление или температуру, как это делается обычно в химических производствах, созданных людьми).

Основные направления биотехнологии уже существующей сегодня представлены ниже в таблице, взятой из книги "Биотехнология. Принципы и применения" (под ред. Хиггинса). М., Мир, 1988.

От микроорганизмов люди не только порой страдали больше, чем от войн, но и получали большую пользу, используя их с незапамятных времен (зачастую, не подозревая об этом). Так, при выпечке хлеба, квашении овощей, варке пива, сыров, сбраживании винограда в вино и т. д. используются биологические катализаторы – ферменты, делающие возможными и ускоряющие необходимые процессы во много раз (иногда в 10⁶-10⁹ раз!). (Масштабы этого производства легко представить седбе хотя бы на примере пива. Сейчас во всем мире его ежегодно производится около 10¹¹литров на сумму порядка 100 млрд. долларов.

ОТРАСЛЬ	ПРИМЕРЫ
Сельское хозяйство	Получение новых штаммов, новые методы селекции растений и животных (включая клонирование)
Производство химических веществ	Получение органических кислот (например, лимонной), использование ферментов в составе моющих средств
Энергетика	Увеличение потребления биогаза, крупномасштабное производство этанола как жидкого топлива
Контроль за состоянием окружающей среды	Улучшение методов тестирования и мониторинга, прогнозирование превращений ксенобиотиков, совершенствование методов переработки отходов
Пищевая промышленность	Создание новых методов переработки и хранения пищевых продуктов, получение пищевых добавок, использование белка, синтезируемого одноклеточными организмами, и ферментов при переработке пищевого сырья
Материаловедение	Выщелачивание руд, контроль биоразложения.
Медицина	Применение ферментов для усовершенствования диагностики, создания датчиков на основе ферментов, использование микроорганизмов и ферментов при производстве сложных лекарств (например, стероидов), синтез новых антибиотиков, применение ферментов в терапии.

Сегодня в мире на специальных биофабриках производится свыше 1 млн. тонн грибов. Одновременно утилизируется солома, ботва и другие отходы сельскохозяйственного производства.

Производство белковых кормов для животноводства и органических удобрений для растениеводства, ускорители роста и вызревания – вот далеко не полный перечень расширяющихся сфер применения биотехнологии в сельском хозяйстве.

Тотальные химические войны с вредными насекомыми принесли человечеству вреда больше, чем этим насекомым. Даже при строгом соблюдении правил применения 97-98% инсектицидов и фунгицидов и 60-95% гербицидов попадает в почву, воздух и водоемы. Абсолютное большинство из них являются сильнейшими ядами. Последствия для живой природы – катастрофические. Подсчитано, что в 80-е годы у нас в стране в результате отравления ядохимикатами погибало 40 % лосей, кабанов и зайцев, около 80 % боровой дичи, уток и гусей, свыше 30 % рыб (от общего числа ежегодно погибающих по различным причинам). Выход – в отказе от химической войны и переходе к биологическим методам защиты, которые уже достаточно хорошо разработаны.

Клеточная инженерия – одно из самых перспективных направлений биотехнологии. В отличии от животной, растительная клетка в определенных условиях может дать жизнь целому растению. Так можно быстро размножать ценные и редкие породы деревьев, овощные и другие культуры.

Особого внимания заслуживают исследования по выведению морозоустойчивых культур (особенно в нашей довольно холодной стране). Заморозки повреждают растения только тогда, когда в них из содержащейся воды образуется лед, разрушающий ткани. В отсутствие некоторых бактерий, которые служат центрами кристаллизации, вода в листьях может не замерзать при охлаждении до –8 С. Следовательно, избавившись с помощью определенных вирусов (бактериофагов) от этих бактерий, можно резко увеличить морозоустойчивость растения. Разработки таких технологий сейчас близки к завершению.

Все шире используются возможности биотехнологии в энергетике. Получение биогаза из отходов сельского хозяйства, деревообрабатывающей и бумажной промышленности – давно освоенный процесс, помогающий убивать сразу двух зайцев – перерабатывать отходы и получать горючий газ для бытовых и промышленных нужд. Существуют также проекты получения жидкого топлива из специально выращиваемых растений. Расчеты показывают, что из 1000 тонн биомассы существующие технологии позволяют извлечь 250 тонн бионефти, 150 тонн этилового спирта и 25 МВт-час энергии в результате сжигания в котле электростанции высушенной пульпы. На повестке дня воспроизведение процесса фотосинтеза, аккумулирующего энергию падающего солнечного света в листьях растений, искусственно. Уже созданы молекулы, эффективно преобразующие энергию солнечного излучения в электрохимическую путем перемещения электрона с одного ее конца к другому. Фактически – это электрический аккумулятор на одной молекуле, который может сохранять запасенную энергию в течение нескольких месяцев.

Наконец, биотехнология вплотную приблизилась к возможности создания биологических двигателей, интеллектуальных роботов, вычислительных машин! Приборы молекулярной электроники могут составить элементную базу невиданных биокомпьютеров, превосходящих современные электронные - на порядки величин по своим характеристикам. Да, собственно, каждый из нас носит свой бортовой биокомпьютер в черепной коробке, равному которому нет в природе. Какие же преимущества сулят такие компьютеры? Так, плотность размещения компонентов у них может в 10⁴-10⁶ раз превышать достигнутую сейчас в больших интегральных схемах на кремнии. Быстродействие их может быть выше в 100-1000 раз чем у современных микропроцессоров.

Если создание промышленного биокомпьютера – дело нескольких десятилетий, то создание и использование биосенсоров давно уже идет полным ходом. Они способны реагировать на давление, температуру, свет, наличие в окружающей среде определенных химических веществ, определять их концентрацию и т. д.

Автору доводилось принимать участие в международной конференции в Италии, где демонстрировались биосенсорные системы, которые в рекламных целях носят название «искусственный язык». Они способны конкурировать с квалифицированными дегустаторами и различать сорта, год и место производства виноградных вин, сыров и т. п., что важно для надежной сертификации продуктов питания и борьбы с фальсификациями.

Нет никаких сомнений в том, что роль и доля биотехнологий в дальнейшем будет возрастать, что поможет одновременно решить экологическую, сырьевую, продовольственную и энергетические проблемы человечества (см. модуль 10).

8. Наконец, мы подошли к самому яркому, как считают многие, символу НТР и нашего времени – персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ). Желание увеличить не только мускульную силу, но и интеллектуальную у человека было всегда. Пытаясь облегчить и ускорить численные расчеты, люди изобрели немало приспособлений: «суан-пака» в Китае, «сурабака» в Японии, «абака» в Др. Греции, «русские счеты», механическая счетная машина Блеза Паскаля, арифмометр нашего соотечественника П. Чебышева и т. д.

Электронные вычислительные машины появились в середине 20-го века. Они предназначались для проведения трудоемких расчетов и управления сложными проектами или системами (например, реактором ядерной электростанции). Это были громоздкие, сложные в управлении, очень ненадежные и дорогостоящие машины, предназначенные для узкого круга профессионалов. Однако техника ЭВМ быстро прогрессировала и после смены нескольких поколений элементной базы пришла к такому состоянию, что к началу 70-х годов 20-го века стало возможно создавать очень компактные, недорогие и очень производительные машины для непрофессиональных пользователей – ПЭВМ. Сердцем современной ПЭВМ является электронный процессор, выполненный в виде большой интегральной схемы. Она имеет размеры меньше сантиметра и содержит свыше 1 млн. (!) различных электронных элементов, нанесенных на поверхность пластины из суперчистого кремния всего за несколько десятков технологических приемов. Эта технология (называемая планарной, т. к. электронные структуры и события локализуются в тонком приповерхностном слое кремния) революционизировала всю электронику и ЭВМ в первую очередь. Параметры полученного таким образом «чипа» на много-много порядков лучше, чем у первых ЭВМ, занимавших целые залы. В одном из компьютерных журналов приводится такой полушутливый пример: если бы «Боинги» прогрессировали так же быстро, как и ЭВМ, то они уже летали бы с субсветовой скоростью, билет бы стоил на них центы, а вмещали бы они сразу все население Земли.

Действительно, быстродействие, емкость памяти, себестоимость и др. характеристики за несколько десятков лет улучшились в миллионы раз! Это дало возможность «умным машинам» проникнуть во все сферы жизни и радикально изменить ее. Говорят, у каждой эпохи был свой «паровой двигатель», определявший ее лицо. ПЭВМ определенно подходят на роль такого символического «парового двигателя», но ее влияние на жизнь миллионов оказалось даже более сильным, чем у паровой машины в свое время. Не вдаваясь в детали, лишь выборочно перечислим области применения современных ЭВМ: управление сложными промышленными, социальными и оборонными системами, полная автоматизация ряда производств и доведение их до состояния «безлюдных», космонавтика, средства связи (в частности, Интернет – глобальная мировая «паутина»), сферы обслуживания, досуга, быта и многое другое.

Важнейшим приложением микропроцессорной техники и ЭВМ является робототехника, соединяющая в себе достижения микроэлектроники, точной механики, оптики, информатики. Уже сейчас роботы производят ЭВМ, собирают автомобили, исследуют морское дно и планеты Солнечной системы, лечат людей, обслуживают сельскохозяйственные фермы, играют в шахматы и т. д. В них имеются элементы искусственного интеллекта, позволяющие адаптироваться к окружающей среде, самообучаться и самостоятельно находить оптимальные решения. Производство ПЭВМ будет и дальше продолжать ускоряться, а их характеристики улучшаться, так что нет никаких сомнений, что они в будущем будут играть все большую роль в жизни людей. В результате этого процесса роль информации в нашем мире резко возросла. Теперь не количество шахт, станков, металла, электровозов и даже денег определяет перспективу роста экономики, а обладание информацией и умение ее использовать. Блестящий пример (на уровне индивидуума) продемонстрировал Билл Гейтс, один из отцов – основателей и хозяев известной компании «Майкрософт». Начав свое дело с 10 долларами в кармане, он за два десятка лет стал одним из богатейших людей планеты, используя и развивая информационные технологии.

В свою очередь, существует и сильная обратная связь между развитием техники и науки. Техника выступает заказчиком на проведение определенных научных программ и целевых исследований. Заказ, подкрепленный хорошим финансированием – очень привлекательный стимул для многих лабораторий. Хотя считать, что наука движется только в том направлении, в котором ее зовет практика, было бы большим преувеличением. У науки есть своя внутренняя логика развития и, надо думать, благодаря наличию энтузиастов она будет развиваться (как и на всем протяжении развития цивилизации), даже в отсутствии поощряющего финансирования, в основном, благодаря бескорыстным труженикам, находящим свое счастье уже в одном только процессе поиска Истины. Безусловно, щедро финансируемые исследования обычно быстрее дают результат и внедряются в практику. Характерной особенностью НТР является неуклонное сокращение сроков по всей цепочке от рождения научной идеи до ее реализации в виде новых технологий, продуктов, услуг. Вместо многих десятилетий весь этот процесс теперь занимает несколько лет, а иногда и меньше года. Благодаря малым срокам, проходящим до внедрения, происходят быстрые качественные преобразования всех компонентов производительных сил: выпускаемой продукции, средств производства и самих тружеников. В результате помимо роста производительности труда, быстрой смены ассортимента выпускаемых изделий, повышения их качества падает себестоимость, материало- и энергоемкость их производства. Т. е. экономика развивается интенсивным, а не экстенсивным способом. Типичный пример представляет Япония. Несколько последних десятков лет ее валовой национальный продукт рос год от года на несколько процентов (в некоторые годы до 10%), а потребление сырья и энергии так же неуклонно падало.

Несколько медленнее чем в промышленности росла производительность труда в сельском хозяйстве, однако и она выросла в десятки раз. В результате большие массы людей выталкиваются из сельского хозяйства и общество урбанизируется, т. е. становится по укладу жизни более городским (даже если люди остаются жить в небольших поселках, не переезжая в город).

Развитие средств транспорта и коммуникаций делает мир более прозрачным, интернациональным, а процессы, происходящие в нем глобальными.

Изменение социальной структуры общества, ценностных ориентиров, содержания и характера труда, возрастание требований к уровню образования, улучшение бытовых условий жизни, увеличение доли свободного времени и многое другое, что непосредственно связано или является следствием НТР, будет рассмотрено в следующем модуле.


Вопросы и темы к семинару

1. В чем состоит отличие НТР от предыдущих научных революций?
   
2. Назовите и охарактеризуйте ключевые технологии эпохи НТР.
   
3. Охарактеризуйте информационные технологии и их роль в настояшем и будущем.
   
4. Что такое нанотехнологии? В чем их существо, преимущества и перспективы?
   
5. Опишите существо биотехнологий, их преимущества и перспективы.
   
6. Раскройте существо ядерных технологий, области их применения, преимущества и недостатки.
   
7. Какими путями решается проблема создания новых материалов с заданными свойствами?
   
8. Что такое лазер и как он используется в различных технологиях?
   
9. Опишите цели, задачи и средства космонавтики.
   
10. Опишите проблемы транспорта и пути его развития в будущем.